針對現(xiàn)有機動車性能檢測儀器的不足,，利用各向異性磁阻傳感器和ZigBee技術，設計了一款無線交通量數(shù)據(jù)采集器,，并對該傳感器節(jié)點的硬件結構和軟件設計分別作了詳細介紹,。該傳感器將所采集到的交通量數(shù)據(jù)通過ZigBee無線網(wǎng)絡發(fā)送至上位機，由上位機對相關信息進行處理,，實現(xiàn)對車輛進行分類的功能,。
隨著智能交通行業(yè)的迅速發(fā)展，道路車輛信息的采集顯得越來越重要,。目前,，交通行業(yè)中大多采用視頻車輛檢測、紅外線車輛檢測以及感應線圈車輛檢測等方法,，這些傳統(tǒng)車輛檢測方法的準確性受外界環(huán)境的影響比較大,，通用性不是很強，在安置檢測設備時大都需要破壞路面,，因而使其應用范圍受限,。
針對傳統(tǒng)車輛檢測方法存在的各種缺點，為了滿足智能交通對數(shù)據(jù)采集高效準確的要求,，本文將傳感器和無線通信模塊進行整合,，將ZigBee技術應用到車輛檢測中，利用Honeywell公司生產(chǎn)的各向異性磁阻（AMR）傳感器HMC2003,，設計出一種無線車輛檢測器,。
1 車輛數(shù)據(jù)采集器的總體結構
基于無線磁阻傳感器的車輛檢測系統(tǒng)由磁阻傳感模塊,、置位復位模塊、信號調理模塊,、A/D轉換模塊,、微控制器模塊、無線通信模塊和電源模塊7部分組成,，系統(tǒng)整體結構如圖1所示,。
2 硬件結構
2.1 信號采集模塊
檢測行駛車輛采用磁傳感器，車輛含有大量鋼鐵,，從傳感器經(jīng)過時,，引起周圍磁場發(fā)生變化。本文采用的傳感器是HMC2003三軸傳感器,，它包含3個敏感元件,，分為敏感軸X、Y和Z,，且三軸互相垂直，分別采集與磁場相關的X軸,、Y軸,、Z軸方向的數(shù)據(jù)。每軸的磁阻傳感器都配置成由4個特性相同元件組成的惠斯通電橋,，將磁場轉化為不同的輸出電壓,。其最小可以感應到40 μGs的磁場強度，而且具有1 mV/V/Gs的靈敏度以及-2～2 Gs的量程,，可為低磁場的測量提供一種緊湊,、高靈敏度和高可靠性的解決方法。
當磁阻傳感器暴露于干擾磁場中時,，電橋薄膜的磁化極性受到破壞,，從而導致靈敏度衰減。HMC2003應用磁開關技術（SR+/SR-）,，借助一個偏置磁場補償干擾磁場,，即通過集成在芯片內部的置位/復位合金帶對薄膜施加3～4 A、20～50 ns的脈沖電流,，就可以重新將磁區(qū)域對準,，統(tǒng)一到一個方向上，這樣就可確保高靈敏度和可重復的讀數(shù),。根據(jù)要求,，置位復位電路如圖2所示。
2.2 信號調理模塊
由于在HMC2003內部,，其X,、Y,、Z軸傳感器橋路與放大器相連，可輸出0～5 V的信號,。0 Gs對應2.5 V輸出（典型值）,，該電壓實際值由參考電壓Vref決定。地球磁場通常為0.5 Gs,，輸出模擬量在0.5 V～4.5 V范圍內變化,，因此，HMC2003的輸出信號不需要被放大,。
由于傳感器的輸出信號中混雜著大量的干擾信號,，來自車輛的發(fā)動機的干擾尤為明顯。因此在輸出信號進入微控制器之前,，要對其進行濾波［2］,。本設計采用巴特沃斯五階低通濾波器。
2.3 微控制器模塊
微控制器模塊負責控制整個傳感器節(jié)點的操作和處理本身采集的數(shù)據(jù),?？紤]到硬件電路和環(huán)境干擾的影響，系統(tǒng)測量的磁場范圍考慮為±600 mGs,，A/D轉換器的位數(shù)若為12 bit,，可測得最小磁場為600/2 048＝0.296 mGs，是HMC2003測得的最小磁場量的4倍多（HMC2003可測得的最小磁場量為40 μGs）［3］,。因此,，12 bit A/D轉換器完全滿足要求。此外,，考慮到傳感器節(jié)點特殊的工作環(huán)境,，其結構設計要求緊湊，電路設計低功耗,，本文采用TI公司的MSP430F149微控制器,，它的主要特點為［4］：
（1）具有60 KB的在線可編程Flash,、2 KB的RAM,，因此在整個硬件電路上無須外加程序存儲器，體積小,。
?。?）處理器工作電壓為1.8～3.6 V，功耗低,，并且可以工作在系統(tǒng)省電模式下,。
由以上特點可知，MSP430F149滿足本系統(tǒng)對微控制器模塊的設計要求。
2.4 無線通信模塊
無線通信模塊是傳感器節(jié)點的關鍵模塊,，負責傳感器節(jié)點與路旁設備進行無線通信,，接收控制命令和收發(fā)采集數(shù)據(jù)。本文采用CC2430,，它結合了一個高性能2.4 GHz直接序列擴頻（DSSS）的射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級8051單片機控制器,。CC2430在單個芯片上整合了ZigBee射頻（RF）前端、內存和微控制器,。它使用1個8 bit MCU（8051）,，具有32/64/128 KB可編程閃存和8 KB的RAM，還包含A/D轉換器,、定時器,、看門狗定時器、AES128密保協(xié)同處理器,、32 kHz晶振的休眠狀態(tài)定時器,、掉電檢測功能電路和內置上電復位電路等。
2.5 電源模塊
過車傳感器被安置于路面,，工作環(huán)境惡劣,，可以采用鋰電池為其供電，避免了鋪設電線的不便,。電源模塊包括供電和電量檢測兩部分,。供電部分為整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓，HMC2003的供電電壓為6~15 V,，而其工作電壓為3.3 V,，因此需要電壓轉換芯片,。本文采用MAX17112,，其能夠從2.6 V~5.5 V的輸入電壓產(chǎn)生最大20 V的輸出電壓，具有高效率,、快速瞬態(tài)響應,、輸入過壓保護功能和低功耗的特點。當檢測到電源的電壓低于一定值時,，發(fā)射模塊發(fā)射需要充電的信號,，通知工作人員對車輛傳感器的電池進行充電，電量檢測部分可及時檢測鋰電池電量,，以保證傳感器工作的正常進行,。
3 軟件設計
3.1 系統(tǒng)軟件功能
根據(jù)車輛檢測傳感器的功能要求，結合硬件電路結構,，系統(tǒng)的軟件［5］主要實現(xiàn)以下功能：
?。?）實時檢測和處理AMR磁阻傳感器HM2003傳入的磁場改變（由于車輛通過）信息，定時向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)。
?。?）配置無線發(fā)射接收模塊,，定義好發(fā)送與接收數(shù)據(jù)幀格式。
?。?）傳感器丟失報警,。傳感器會定時向上位機發(fā)送信號，如果上位機連續(xù)10次沒有接收到此信號,，就認為此傳感器丟失,，便發(fā)出警報，通知工作人員處理相關問題,。
?。?）傳感器低壓報警。當傳感器供電電壓低于一定值時,，便向上位機發(fā)出信號,，上位機即時將該信息顯示在工作窗口上，并由工作人員處理,。
3.2 軟件總體設計流程圖
程序開始執(zhí)行后,，首先進行系統(tǒng)初始化，主要包括MSP430F149時鐘的設置,、I/O口的設置和A/D采樣的設置等,，然后對通信部分進行設置，最后對上傳到上位機的磁場信息通過固定算法進行數(shù)據(jù)處理［6］,。程序流程圖如圖3所示,。
本文提出了一種車輛檢測器的設計方法，其基于各向異性磁阻傳感器,，結合ZigBee無線通信技術,，可以靈敏地感知到車輛對地磁場的擾動，并從擾動中提取車輛信息,，具有較高的可靠性和準確性,。該設計還具有體積小、安裝方便,、對路面破壞小和易于維護等優(yōu)點,。如果在實際道路中大規(guī)模地安裝該系統(tǒng)，可以采集大量的真實交通數(shù)據(jù),，為交通流特性的研究,、道路交通事故的預防提供基礎數(shù)據(jù)支持。